基于p‑i‑n结构的位移损伤剂量探测方法

摘要

本发明涉及一种基于p‑i‑n结构的位移损伤剂量探测方法，该方法包括筛选p‑i‑n结构的探头，探测器参数调整及确认，在不同放射源下获取探测器响应并标定；根据不同放射源对探头材料的非电离能损NIEL，将探测器响应与不同放射源注量或剂量的关系统一成探测器响应与位移损伤剂量的关系；根据实际探测结果确定损伤增强因子。该方法优势在于其探测的物理量是位移损伤剂量，包含任何能够造成位移损伤效应的粒子；与探测粒子种类、能谱相比，能够直接反映半导体元器件的位移损伤程度；基于此结构的探测器便携、灵活、易用，适用于空间环境监测、半导体元器件位移损伤效应评估及寿命预测。

权利要求

1.一种基于p-i-n结构的位移损伤剂量探测方法，其特征在于按下列步骤进行：a、筛选p-i-n结构的探头，对筛选的探头进行摸底试验，将两组探头分别置于能够产生位移损伤的辐照源和不产生位移损伤的辐照源中，通过移位测试获取I-V特性，确认该探头对位移损伤敏感和对电离损伤不敏感；

b、研制探测器，探测器为两块PCB板，一块为探头模块，置于辐照源中辐照；另一块为恒流源模块、信号采集模块和控制模块，通过同轴电缆与探头模块连接以采集信号，同时与PC机连接并受控；

c、根据摸底试验结果，通过选择PCB板电阻阻值调整探测器硬件参数，恒流源驱动能力、探头灵敏度、量程；通过设置PC软件确定采样通道、采样率、数字滤波的数据采集参数，并使之固化；

d、将探测器和PC机连接并调试正常，将探测器的探头模块置于不同粒子束下辐照，同时通过设置PC机软件在线采集探测器的响应和温度；

e、根据不同放射源对探头材料的非电离能损，将探测器响应与不同粒子源注量或剂量的关系转换成探测器响应与位移损伤剂量的关系；

f、在探测器响应达到预定值时，找出不同粒子源的位移损伤剂量，根据它们的比例关系确定损伤增强因子κ。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤b探测器中要求恒流源模块噪声低；探头模块负载增大时，恒流源驱动能力不衰减，采集信号时通过PC机控制。

说明书

基于p-i-n结构的位移损伤剂量探测方法

技术领域

[0001] 本发明涉及辐射环境探测方法，特别是一种基于p-i-n结构的位移损伤剂量探测方法，属于辐射效应评估技术、辐射场探测技术和微电子技术。

背景技术

[0002] 空间辐射环境包括银河宇宙线、太阳活动事件及地球俘获带，对元器件造成空间辐射效应，位移损伤效应是其中之一。目前描述空间辐射环境的模型有美国国家航空航天局(NASA)等公布的银河宇宙线模型、AP-8、AE-8模型和太阳质子模型，给出了高能粒子的元素丰度及在不同能量下的通量、地球俘获带内质子和电子能量及空间分布，并受周期性太阳事件的扰动情况。

[0003] 由于位移损伤效应是空间辐射环境与元器件半导体材料相互作用的结果，即空间辐射环境中高能质子、电子及其他高能粒子与元器件材料的晶格发生弹性散射，以非电离能的形式在晶格中沉积能量，形成以簇状缺陷和点缺陷为主要形式的晶格缺陷，并产生相应的缺陷能级，使元器件受到不可逆的性能、参数退化。上述空间辐射环境模型仅描述了粒子种类、能量及通量，对研究位移损伤效应的支持尚不充分，原因是空间辐射环境的多样性及器件结构、工艺的复杂性。根据第一性原理，从粒子入射半导体材料推导实际器件的参数退化是一个非常复杂的过程，且随着新器件的不断涌现，模拟仿真方面尚需大量研究需要开展，在实际评估器件位移损伤效应时不具有可行性。

[0004] 目前对位移损伤效应的研究一般方法，是以G.P.Summers提出的非电离能损NIEL和位移损伤剂量Dd展开的，其思想是根据不同种类粒子入射不同材料的NIEL及粒子注量Φ，将可以造成位移损伤的各种辐射环境因素统一成Dd。对于一款待评估器件，在地面模拟实验中得出器件参数退化与Dd的关系，根据不同种类粒子束辐照结果的差异，得出损伤增强因子κ，即粒子各自造成位移损伤的权重。如果该器件空间应用环境和工作年限已知，可根据空间辐射环境模型预估粒子种类、能量及通量，根据各粒子权重，换算成单一种类粒子、单一能量下的Dd，于是在评估该器件位移损伤效应时，可用单一能量的一种粒子束，如1MeV中子，等效其实际空间辐射环境对位移损伤效应的贡献。该方法能够准确快捷地实现位移损伤效应评估，以满足工程需求。

[0005] 但是地面辐照装置如质子、电子、重离子等造成位移损伤的同时也会造成电离损伤。上述方法得以实现的重要前提是，需要一种对位移损伤敏感，对电离损伤不敏感的探测器。当探测器在不同粒子束下进行辐照，根据各自响应换算不同粒子种类、不同能量下的等效Dd时，必须排除电离损伤的影响才能保证其有效性。

[0006] 位移损伤效应评估工作急需一种位移损伤剂量探测方法，保证评估试验能够正确地开展，并保证电子元器件在空间环境中寿命预测的准确性。

发明内容

[0007] 本发明目的在于，提供一种基于p-i-n结构的位移损伤剂量探测方法，该方法包括筛选p-i-n结构的探头，探测器，探测器参数调整及确认，在不同放射源下获取探测器响应并标定；根据不同放射源对探头材料的非电离能损NIEL，将探测器响应与不同放射源注量或剂量的关系统一成探测器响应与位移损伤剂量的关系；根据实际探测结果确定损伤增强因子。该方法优势在于其探测的物理量是位移损伤剂量，包含任何能够造成位移损伤效应的粒子；与探测粒子种类、能谱相比，能够直接反映半导体元器件的位移损伤程度；基于此结构的探测器便携、灵活、易用，适用于空间环境监测、半导体元器件位移损伤效应评估及寿命预测。该方法与粒子种类、能谱等物理学探测不同，旨在探测电子元器件被辐照后，经非电离过程造成的吸收剂量，是针对工程应用的一种探测方法，为位移损伤效应评估及研究工作提供基础数据支持。

[0008] 本发明所述的基于p-i-n结构的位移损伤剂量探测方法，按下列步骤进行：

[0009] a、筛选p-i-n结构的探头，对筛选的探头进行摸底试验，将两组探头分别置于能够产生位移损伤的辐照源和不产生位移损伤的辐照源中，通过移位测试获取I-V特性，确认该探头对位移损伤敏感和对电离损伤不敏感；

[0010] b、研制探测器，探测器为两块PCB板，一块为探头模块，置于辐照源中辐照；另一块为恒流源模块、信号采集模块和控制模块，通过同轴电缆与探头模块连接以采集信号，同时与PC机连接并受控；

[0011] c、根据摸底试验结果，通过选择PCB板电阻阻值调整探测器硬件参数，如恒流源驱动能力、探头灵敏度、量程；通过设置PC软件确定采样通道、采样率、数字滤波等数据采集参数，并使之固化；

[0012] d、将探测器和PC机连接并调试正常，将探测器的探头模块置于不同粒子束下辐照，同时通过设置PC机软件在线采集探测器的响应和温度；

[0013] e、根据不同放射源对探头材料的非电离能损，把探测器响应与不同粒子源注量或剂量的关系转换成探测器响应与位移损伤剂量的关系；

[0014] f、在探测器响应达到预定值时，找出不同粒子源的位移损伤剂量，根据它们的比例关系确定损伤增强因子κ。

[0015] 步骤b探测器中要求恒流源模块噪声低；探头模块负载增大时，恒流源驱动能力不衰减，采集信号时通过PC机控制。

[0016] 根据探测器在不同粒子束下的响应、损伤增强因子κ，结合电子元器件工作的空间辐射环境，能够换算出等效地面模拟试验条件。

[0017] 本发明所述的一种基于p-i-n结构的位移损伤剂量探测方法，该方法包含以下步骤：

[0018] 首先进行摸底试验，用半导体参数测试系统测定I-V曲线随粒子注量的关系，据此制定探头驱动和信号采集方式，如施加脉冲式恒流激励测电压；

[0019] 准备两组p-i-n结构探头，加电至工作模式，一组置于质子或电子能够产生位移损伤的辐照源中，确认探头响应随注量增大；另一组置于60Coγ等不产生位移损伤的电离辐照源中，辐照剂量与质子或电子产生的电离吸收剂量相同，确认探头输出无显著变化，以质子为例，质子注量与其在硅材料中产生的电离吸收剂量换算为公式为：

[0020] Di＝1.602×1010×Ф×(dE/dx)

[0021] 其中Di电离吸收剂量；Φ是注量；dE/dx是阻止本领；

[0022] 其次，验证该探头仅对位移损伤敏感后，用电子设计自动化软件设计探测器，包括p-i-n结构探头模块、恒流源模块、信号采集模块、PC软件及互连，并将输出文件送至PCB加工厂商，PCB板加工好后焊接元器件、编写软件程序，并调试功能正常；

[0023] 功能调试正常后，调节探测器参数，选择脉冲式恒流正向注入探头，需确定恒流值及脉宽和占空比，不同恒流驱动条件下，监测并记录探头辐照时的响应范围和灵敏度，根据待测条件选择合适的恒流；生成不同脉宽和占空比组合的数字信号，作为恒流源和数据采集模块使能信号，监测并记录探头在恒温环境下的输出信号，据此选择合适的脉宽和占空比，以避免探头输出受温度影响而漂移；

[0024] 将探头置于能够产生位移损伤的不同辐照源中，如质子和电子，分别记录探测器响应与粒子注量Φ的关系，根据各自粒子的非电离能损伤(NIEL)，将注量转换成位移损伤剂量Dd，转换公式为：

[0025]

[0026] 其中E是入射粒子能量，Emax和Emin分别是粒子能量上限和下限，Φ是粒子注量，选取探测器响应范围内的某一值，当探测器的输出达到该值时，记录其对应的各粒子的位移损伤剂量Dd，根据其比例关系确定损伤增强因子κ；

[0027] 如果评估运行在某一轨道的电子元器件寿命，首先根据空间辐射环境模型预估该处的粒子种类、能量分布及通量，然后根据各自非电离能损伤NIEL计算位移损伤剂量Dd，结合损伤增强因子κ，将空间辐射环境的位移损伤剂量用单一能量的某一种粒子来等效，即只需在地面辐照实验中选取单一能量的一种粒子作为辐照源，如1MeV的中子，监测该器件失效的注量，就能够预测出该器件的寿命。

[0028] 本发明所述一种基于p-i-n结构的位移损伤剂量探测方法，与现有技术相比其优点为：

[0029] (1)、本发明探测方法与粒子种类、能谱、通量探测不同，避免了从第一性原理及复杂器件结构出发的模拟仿真技术瓶颈，从而使位移损伤效应评估工作能够有效进行。

[0030] (2)、本发明探测方法解决了在位移损伤剂量探测过程中排除电离损伤影响的问题，实现了位移损伤与电离损伤分离探测。

[0031] (3)、本发明提出的探测器易于实现、适用性强、搭配灵活，解决了实际空间辐射环境与地面模拟实验环境等效问题，即将多种粒子、宽能谱、变化通量用单一种类、能量的粒子有效代替。

附图说明

[0032] 图1为本发明位移损伤剂量探测流程图；

[0033] 图2为本发明电子辐照条件下探头反向I-V特性，其中-○-表示电子注量为1E14e·cm-2，-□-表示电子注量为5E14e·cm-2，-△-表示电子注量为1E15e·cm-2，-▽-表示电子注量为5E15e·cm-2， 表示电子注量为1E16e·cm-2， 表示电子注量为
5E16e·cm-2， 表示电子注量为1E17e·cm-2；

[0034] 图3为本发明电子辐照条件下探头正向I-V特性，其中-○-表示电子注量为1E14e·cm-2，-□-表示电子注量为5E14e·cm-2，-△-表示电子注量为1E15e·cm-2，-▽-表-2 -2
示电子注量为5E15e·cm ， 表示电子注量为1E16e·cm ， 表示电子注量为
5E16e·cm-2， 表示电子注量为1E17e·cm-2；

[0035] 图4为本发明位移损伤探测探测器原理框图，其中a为通过上位PC机程序操作该探测器，b为控制模块控制各个模块，c为恒流源为探头提供激励，d为数字采集探头输出电压，e为保存数据至上位PC机；

[0036] 图5为本发明探测器在质子辐照条件下的响应图；

[0037] 图6为本发明探测器在电子辐照条件下的响应图；

[0038] 图7为本发明不同通量下探测器响应与注量的关系图，其中-○-表示质子注量为-2 -1 -2 -15E7e·cm ·s ，-□-表示质子注量为2E8e·cm ·s ；

[0039] 图8为本发明考虑增强因子后探测器在质子、电子辐照条件下的响应图，其中-○-表示质子，-□-表示电子增强因子κ＝16.8的等效情况；

[0040] 图9为本发明位移损伤效应评估流程图。

具体实施方式

[0041] 实施例

[0042] a、筛选p-i-n结构的探头，对筛选的探头进行摸底试验，将两组探头分别置于能够产生位移损伤的辐照源和不产生位移损伤的辐照源中，通过移位测试获取I-V特性，确认该探头对位移损伤敏感和对电离损伤不敏感；

[0043] 图1是位移损伤剂量探测流程图，根据步骤a对p-i-n结构探头进行摸底试验。将p-i-n结构探头置于电子辐照条件下，在注量为1E14e·cm-2、5E14e·cm-2、1E15e·cm-2、5E15e·cm-2、1E16e·cm-2、5E16e·cm-2、1E17e·cm-2时，用半导体测试系统keithley 4200离线采集探头I-V特性，如图2、3；

[0044] 确定p-i-n结构探头的信号采集模式，由于反向电流微弱，测量手段较正向电压测试复杂，故采用施加正向电流测电压的采集模式，考虑到采集功耗带来的影响，确定信号采集模式为加正向脉冲电流测电压；

[0045] 确定该探头对电离损伤不敏感，用60Coγ等效质子产生的电离吸收剂量，质子注量与其在硅材料中产生的电离吸收剂量换算为公式为：

[0046] Di＝1.602×1010×Ф×(dE/dx)

[0047] 其中硅材料对质子的阻止本领dE/dx＝34.79MeV·cm-1·g-1，当质子注量Φ＝-21E12p·cm 时，产生的电离吸收剂量为5.57M rad/Si，在1mA正向电流激励下，辐照至5.57M rad/Si,电压输出由0.54V增至0.55V，验证了该探头对电离损伤不敏感，从而排除了质子辐照过程中电离损伤的影响；

[0048] b、研制探测器，探测器为两块PCB板，一块为探头模块，置于辐照源中辐照；另一块为恒流源模块、信号采集模块和控制模块，通过同轴电缆与探头模块连接以采集信号，同时与PC机连接并受控，其中探测器中要求恒流源模块噪声低；探头模块负载增大时，恒流源驱动能力不衰减，采集信号时通过PC机控制(图4)；

[0049] c、根据摸底试验结果，通过选择PCB板电阻阻值调整探测器硬件参数，如恒流源驱动能力、探头灵敏度、量程；通过设置PC软件确定采样通道、采样率、数字滤波等数据采集参数，并使之固化；

[0050] 根据步骤c调节探测器参数，将探测器连接完毕后，根据摸底试验结果中的I-V特性、灵敏度、量程的需求确定激励电流幅值，由图3注量与正向电压的关系可判定大激励电流灵敏度高，小激励电流量程大，此例确定激励电流为1mA，通过选择适当阻值的电阻焊接在PCB板来实现，在PC机软件中设置采集通道、采样率、数字滤波等数据采集参数，以满足数据采集要求；

[0051] d、将探测器和PC机连接并调试正常，将探测器的探头模块置于不同粒子束下辐照，同时通过设置PC机软件在线采集探测器的响应和温度；

[0052] 根据步骤d执行辐照并采集数据，将探测器、PC机连接调试完毕后，将探头模块置于10M质子和1.8M电子辐照条件下，同时在PC机上运行在线数据采集程序；图5为探测器在质子辐照条件下的响应，图6为探测器在电子辐照条件下的响应，图7是不同通量下探测器响应与注量的关系；

[0053] e、根据不同放射源对探头材料的非电离能损，把探测器响应与不同粒子源注量或剂量的关系转换成探测器响应与位移损伤剂量的关系；

[0054] 根据步骤e计算不同粒子束的位移损伤剂量Dd，获取探头响应与不同粒子束位移损伤剂量Dd的关系。注量与位移损伤剂量Dd的转换公式为：

[0055]

[0056] 质子、电子的NIEL分别为8E-3Mev·g-1·cm-2和4.5E-5Mev·g-1·cm-2，E是入射粒子能量，Emax和Emin分别是粒子能量上限和下限，Φ是粒子注量，算得当探测器输出为1.5V时，质子和电子的位移损伤剂量为8E9MeV/g和13.5E10MeV/g；

[0057] f、在探测器响应达到预定值时，找出不同粒子源的位移损伤剂量，根据它们的比例关系确定损伤增强因子κ；

[0058] 根据步骤f确定增强因子κ，选定探测器在质子、电子辐照下响应为1.5V时，确定增强因子κ，此时电子、质子造成的位移损伤具有等效性，根据质子和电子的位移损伤剂量确定出增强因子κ＝13.5E10/8E9＝16.875；图8是考虑增强因子后探测器在质子、电子辐照条件下的响应，电子位移损伤剂量的坐标收缩为1/16.875时，曲线形状与质子响应曲线保持一致，故建立了质子与电子之间位移损伤剂量的等效关系；

[0059] 图9是位移损伤效应评估流程图，根据探测器在不同粒子束下的响应、损伤增强因子(κ)，结合电子元器件工作的空间辐射环境，及粒子入射材料的非电离能损(NIEL)，能够换算出等效地面模拟试验条件，从而将空间复杂辐射环境转化成特定粒子单一能量、注量确定的简单辐射环境，解决了复杂空间辐射环境用地面辐照环境等效的问题，提高了位移损伤效应评估工作的可执行性。本发明提供了一种基于p-i-n结构的位移损伤剂量探测技术，实现了位移损伤效应评估在工程上的应用。